《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種高效同步boost電路
2016年微型機(jī)與應(yīng)用第13期
石易立
(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系,江蘇 南通 226010)
摘要: boost升壓電路在電子電路設(shè)計中有著廣泛的應(yīng)用,。文章提出一種新型同步boost電路,,其結(jié)構(gòu)簡單,性能突出,。用Cadence軟件進(jìn)行模擬仿真,,系統(tǒng)頻率為100 kHz,3.3 V輸入,,5 V/2.5 A輸出,,效率達(dá)到95%。
關(guān)鍵詞: Boost電路 同步整流 高效
Abstract:
Key words :

  石易立

 ?。贤ê竭\(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系,,江蘇 南通 226010)

       摘要:boost升壓電路在電子電路設(shè)計中有著廣泛的應(yīng)用。文章提出一種新型同步boost電路,,其結(jié)構(gòu)簡單,,性能突出。用Cadence軟件進(jìn)行模擬仿真,,系統(tǒng)頻率為100 kHz,,3.3 V輸入,5 V/2.5 A輸出,,效率達(dá)到95%,。

  關(guān)鍵詞:boost電路;同步整流,;高效

0引言

  boost電路在電子電路設(shè)計中有著廣泛的應(yīng)用,,特別是各種電源電路和太陽能控制電路中,例如MPPT太陽能控制器最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT),、移動電源領(lǐng)域等,。高效率、高頻率和小型化一直是其追求的目標(biāo),。由于boost電路中包含電容電感等非線性器件,,這些對高性能的boost電路設(shè)計帶來了諸多不確定性和難度,也使高效boost電路設(shè)計成為研究的熱點(diǎn)之一,。本文提出了一種同步boost電路,,采用一些新型結(jié)構(gòu)使得電路的基本指標(biāo)達(dá)到要求,性能得到一定改善,。

1boost電路原理

  boost電路基本原理如圖1所示,。

001.jpg

  圖1中,當(dāng)MOS管Q導(dǎo)通時,電源給電感L充電;當(dāng)MOS管Q截止時,,電感L電流通過電容C和二極管D給電容充電。如此往復(fù),,電容電壓達(dá)到一穩(wěn)定值,。MOS管Q的導(dǎo)通截止由方波信號PWM控制。設(shè)PWM信號的占空比為D,,則輸出電壓Vout=Vin·11-D,,因為D<1,所以該電路能實(shí)現(xiàn)升壓的功能,。PWM信號由專用電路產(chǎn)生,,它的頻率決定了電感L的大小。一般希望電感越小越好,,所以在實(shí)際電路設(shè)計中希望得到較高的PWM信號頻率,。同時為得到較高的電壓精度,電容C也希望設(shè)置得越小越好,。通常流經(jīng)二極管D的電流就是電感電流,,在大功率場合,這個電流會比較大,,從而二極管上的功耗會很大,,使得整個boost電路的效率大大降低。為改變這一狀態(tài),,顧亦磊等人提出了同步boost電路的概念[1],,將二極管用另一個MOS管取代,整體功耗得到了很大的改善,。

2同步電路boost電路原理

  同步boost電路基本原理如圖2所示,。  

002.jpg

  與圖1相比,,圖2中用MOS管Q2取代了二極管D,。當(dāng)Q1導(dǎo)通時Q2截止,Q1截止時Q2導(dǎo)通,,Q2取代了二極管的功能,。由于Q1、Q2導(dǎo)通時都可以讓其處于飽和導(dǎo)通[2],,這樣Q2管上的功耗將大大降低,,提高了整體效率。這樣一種同步導(dǎo)通截止的電路就稱為同步boost電路,。其詳細(xì)驅(qū)動電路如圖3所示,。圖3中AC為PWM信號源產(chǎn)生高電平為5 V、低電平為0 V的方波信號。Vcc為電源電壓5 V,。Q4、R3,、R4組成簡單反向器[3],。當(dāng)AC為高電平時,Q4飽和導(dǎo)通,,集電極輸出低電平,,Q3導(dǎo)通。當(dāng)AC為低電平時,,Q4截止,,集電極輸出高電平,Q3截止,。從而使當(dāng)AC為高電平時,,Q5截止,Q2截止,,Q3導(dǎo)通,,Q1導(dǎo)通,電感充電,;當(dāng)AC為低電平時,,Q5導(dǎo)通,Q2導(dǎo)通,,Q3截止,,Q1截止,電感放電,,電容充電,。實(shí)現(xiàn)了boost電路的基本功能?!?/p>

003.jpg

  事實(shí)上,,這樣的同步boost電路的同步性卻不盡如人意。在Q1導(dǎo)通時,,Q2并不能很好地同時截止,,反過來,Q2導(dǎo)通時,,Q1也不能真正地同時截止[1],。它們之間的這種時間差會在Q1、Q2,、C回路中產(chǎn)生較大的電流和功耗,。產(chǎn)生的原因主要是因為一管導(dǎo)通時另外一管不能很快地截止。在Q1、Q2 MOS管的G極與S極之間存在一定的結(jié)電容,,當(dāng)VGS=5 V時,,GS結(jié)電容充滿電,而當(dāng)VGS=0 V時,,GS結(jié)電容通過電阻R1,、R6放電,CGS與R1(或R6)組成一個RC放電回路[4],。放電的快慢直接決定了MOS管的關(guān)斷速度,。放電越快MOS管的關(guān)斷速度越快,放電越慢MOS管的關(guān)斷速度越慢,,所以只有當(dāng)時間常數(shù)τ=RC比較小,、放電快時才能帶來很好的一致性。當(dāng)結(jié)電容處于一個較為一致的水平時,,降低電阻R就成了一個有效的手段,。雖然當(dāng)電阻R1、R6降到一定程度時,,一致性可得到有效的改善,,但同時也會帶來新的問題,過小的R1,、R6會使R1,、R6上面的功耗變得非常大,同樣影響整體效率,。一個進(jìn)一步改進(jìn)的辦法是用新的MOS管取代電阻R1,、R6。

3改進(jìn)型同步boost電路

  改進(jìn)型同步boost電路如圖4所示,?!?/p>

004.jpg

  圖4中用兩個MOS管(Q8、Q9)及其驅(qū)動電路(Q6,、Q7)取代圖3中的R1,、R6。通過電路分析可以得到,,當(dāng)AC為高電平時,,Q6截止,Q8截止,,呈現(xiàn)高阻態(tài),,Q1導(dǎo)通;同時Q7導(dǎo)通,,Q9導(dǎo)通,,呈現(xiàn)低阻態(tài),Q2的CGS迅速放電,Q2迅速關(guān)斷,,與Q1的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)了良好的一致性,。同時,AC高電平時,,Q5又處于截止?fàn)顟B(tài),,Q9中沒有電流流過,Q9的低阻態(tài)不會引起功耗的上升,,很好地解決了圖3中R1、R6低阻值時帶來的溫升,。反之,,AC低電平時,Q7截止,,Q9截止,Q2導(dǎo)通;另一端的Q6導(dǎo)通,,Q8低阻態(tài),,Q1迅速關(guān)斷。如此往復(fù),,Q1,、Q2交替導(dǎo)通、截止,,實(shí)現(xiàn)了boost電路升壓的基本功能又降低了功耗,,提高了整體性能。

4模擬仿真

  結(jié)合上述原理,,最后用Cadence軟件模擬了圖4中boost電路的工作過程,。電路中Q1、Q2采用IRF3205,,Q8,、Q9采用IRF320。電感選擇0.5 mH,,電容選擇0.5 mF,,PWM頻率100 kHz,上升沿下降沿時間各為200 ns,。輸入電壓設(shè)為3.3 V,,其余電路參數(shù)已在圖4中標(biāo)出。

005.jpg

006.jpg

  當(dāng)占空比D=0.36時,,輸出電壓,、輸入功率、負(fù)載功率如圖5~圖7所示。

  電源電壓Vcc發(fā)出功率如圖8所示,。約為0.2 W,。

  可算出占空比D=0.36時,效率為:

  59DYXW9]F~49$C~QC47R0MX.png

5結(jié)束語

  綜上所述,,本文提出的同步boost電路有著結(jié)構(gòu)新穎,,性能優(yōu)良的特點(diǎn)。在各種電子電路設(shè)計中具有良好的應(yīng)用前景,。

參考文獻(xiàn)

 ?。?] 顧亦磊, 陳世杰, 呂征宇.Boost電路的一種軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方法[J].電源技術(shù)應(yīng)用, 2004(5):290293.

  [2] 畢查德·拉扎維.模擬CMOS集成電路設(shè)計[M].陳貴燦,,程軍,,張瑞智,等譯. 西安:西安交通大學(xué)出版社,, 2003.

 ?。?] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分(第5版)[M].北京:高等教育出版社,2008.

 ?。?] 曹京生.電工技術(shù) [M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,,2007.

  (收稿日期:20160314)


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